負溫度匹配在熱態中壓缸啟動中的應用分析

朱慧強，朱慶玉，冷伯炟，梁明文，冷 杰

（1.東北電力大學能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012；2.華能新疆阜康熱電有限責任公司，新疆 昌吉 831500；3.沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110136；4.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

負溫度匹配在熱態中壓缸啟動中的應用分析

朱慧強1，朱慶玉2，冷伯炟3，梁明文4，冷 杰4

（1.東北電力大學能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012；2.華能新疆阜康熱電有限責任公司，新疆 昌吉 831500；3.沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110136；4.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

以某350 MW汽輪機高中壓轉子為研究對象，利用ANSYS有限元分析軟件進行轉子熱固耦合分析。計算在熱態中壓缸啟動過程中采用負溫度匹配時高中壓轉子的應力變化和壽命損耗情況。結果表明：熱態中壓缸啟動過程中采用小幅負溫度匹配安全可行，對轉子壽命影響微小，還可以顯著縮短啟動時間，提高汽輪機調峰經濟性和靈活性。

負溫度匹配；熱態中壓缸啟動；熱固耦合

隨著社會經濟發展和用電結構改變，電網負荷峰谷差矛盾日益突出，因此要求更多的大容量火電機組參與調峰運行［1］。相比于高中壓聯合啟動方式，中壓缸啟動具有啟動時間短、轉子受熱均勻、壽命損耗小、負荷適應性強等特點，多用于汽輪機調峰運行［2－3］。

汽輪機調峰過程中轉子整體溫度水平較高，若滿足正溫度匹配，必須長時間等待蒸汽溫度上升，這將延長啟動時間，降低調峰靈活性，損失大量燃料。

汽輪機總是要經歷啟動、停機以及負荷升降，只要進行停機或降負荷過程，蒸汽溫度低于轉子表面金屬溫度，轉子表面就會因被冷卻而產生拉應力，這是汽輪機運行特性所決定的。另外，從金屬材料的力學屬性角度分析，金屬材料的抗拉能力與抗壓能力基本相同，并沒有要求只能承受壓應力而不能承受拉應力，所以啟動過程中轉子表面產生拉應力無需嚴格限制［4］。因此在中壓缸啟動中采用小幅負溫度匹配，可避免出現正溫度匹配的缺陷，同時發揮中壓缸啟動自身優勢，提高機組啟動過程的經濟性和靈活性。

1 轉子熱固耦合分析

1.1 轉子建模

以某電廠350 MW汽輪機高中壓缸無中心孔轉子為研究對象，該汽輪機為亞臨界參數、一次中間再熱、雙缸雙排汽、凝汽式汽輪機。額定主汽壓力為16.67 MPa，額定主汽溫度為538℃，額定再熱汽壓為3.55 MPa，額定再熱汽溫為538℃，共8級回熱抽汽，高壓缸葉片共15級（包括1級單列調節級），中壓缸葉片共8級。轉子二維軸對稱模型以汽輪機轉子的加工圖為依據，見圖1。葉片部分按等離心力原則簡化為連續的輪盤體［5］。軸封、汽封等部位由于尺寸微小，對計算結果影響有限，結構上簡化為直線，在施加載荷等計算中仍按軸封、汽封進行分析，其結果滿足計算精度要求。

圖1 轉子二維軸對稱模型

在網格劃分過程中，對由中壓缸前兩級開始到高壓缸前兩級為止的轉子外邊界進行網格加密，以提高重點監視部位的計算精度。高中壓轉子二維軸對稱模型共劃分17 418個單元，54 791個節點。轉子模型網格劃分局部示意圖見圖2。

圖2 轉子模型網格劃分局部示意圖

1.2 邊界條件

1.2.1 運行參數

選取中壓缸汽輪機參與調峰運行時的停機、冷卻、啟動過程狀態參數，作為計算轉子表面各部位蒸汽參數的依據，其中停機和冷卻過程狀態參數主要用于確定轉子啟動前初始溫度分布。在轉子冷卻8 h后，調節級后轉子表面金屬溫度約為407℃，中壓缸第1級級后轉子表面金屬溫度為409℃，在此條件下啟動為熱態啟動［6］。

1.2.2 蒸汽參數

蒸汽與轉子的對流換熱系數可根據結構分為光軸、軸封汽封、葉輪兩側、葉輪頂4種，轉子各部位蒸汽溫度、壓力等參數可由變工況計算獲得。

1.2.3 其他邊界條件

在轉子模型中心軸線處，假定無熱量傳遞，即中心軸線視為絕熱；轉子模型左右兩端面熱流量很小，也可視作絕熱邊界；在轉子兩端軸頸部位，與軸承對應部位可視作與溫度為80℃的潤滑油進行換熱，其他缸外部分可視作與溫度為80℃的空氣進行換熱。

2 計算結果分析

2.1 轉子溫度場分析

在ANSYS軟件中，將轉子表面介質溫度和對流換熱系數等載荷施加在轉子模型上進行計算，可獲得不同時刻轉子的溫度場分布，見圖3。

圖3 不同時刻轉子溫度場

由于中壓缸啟動過程中中壓缸先進汽沖轉，高壓缸處于隔離狀態，達到一定負荷或轉速后進行切缸，高壓缸進汽恢復高中壓缸聯合啟動繼續升負荷［7］。中壓第1級葉根處和高壓缸調節級葉根處分別為蒸汽進入中壓缸和高壓缸后最先接觸轉子主軸的部位，由實際運行經驗，這2個部位也是運行過程中的主要監視部位。下面分析不同負溫度匹配時這2個部位的溫度變化過程，由于目前對負溫度匹配研究相對較少，為保證汽輪機安全運行，匹配溫差先控制在較小的范圍內，本文選取－40～0℃，擴大負溫度匹配范圍需等到小幅負溫度匹配深入研究和推廣之后可進一步嘗試。不同匹配溫度監視部位金屬溫度變化曲線見圖4。

由圖4可見，當采用負溫度匹配時，啟動過程中轉子會經歷一次冷卻過程，負溫度匹配程度越大，轉子表面溫降越劇烈。隨后蒸汽溫度逐漸上升，轉子再次被加熱升溫直至穩定。為分析冷卻過程作用范圍，以匹配溫度－40℃為例分析轉子由表面向中心不同深度時溫度的變化情況見圖5，冷卻過程作用時間較短，作用范圍主要在表面附近，對轉子內部溫度影響微小。

2.2 轉子應力場分析

轉子的應力主要由熱應力和高速旋轉過程中產生的離心力組成。在高壓缸調節級葉根處和中壓第1級葉根處會出現一定程度的應力集中。不同匹配溫度監視部位等效應力變化曲線見圖6。

圖4 不同匹配溫度監視部位金屬溫度變化曲線

圖5 調節級葉根處不同深度溫度變化曲線

由圖6可見，從中壓缸進汽開始，由于蒸汽溫度低于轉子金屬溫度，轉子被冷卻產生拉應力，高壓缸在切缸前短時間被隔離，期間高壓缸內不進汽，所以初期調節級應力變化微小，切缸后轉子同樣被冷卻。沖擊應力逐漸上升達到最大值后，由于蒸汽溫度逐漸上升，轉子被加熱，拉應力減小最終轉變為壓應力。匹配溫差越大，冷沖擊應力就越大，負溫度匹配還使啟動過程最大應力有小幅度上升，具體應力見表1。根據文獻［8］提供的公式計算啟動過程轉子壽命損耗，結果見表2。

圖6 不同匹配溫度監視部位等效應力變化曲線

表1 不同匹配溫度下沖擊應力及最大應力

表2 不同匹配溫度下啟動過程轉子壽命損耗

轉子材料的屈服極限在400℃時為537 MPa，500℃時為492 MPa，許用應力取0.65倍的屈服極限，在400～500℃最小值為319.8 MPa，表1中可見沖擊應力及最大應力都未超過此數值。所以，一定程度進行負溫度匹配啟動造成的沖擊應力及最大應力增加不會影響安全性。由表2數據可以看出，沖擊應力引起的壽命損耗基本不變，最大應力變化對壽命的影響也不大［9］。

3 啟動時間分配優化

由于采用負溫度匹配中壓缸啟動時，汽輪機可以提前進汽，可節約啟動時間，以1℃／min的沖轉溫升率計算，相對于通常要求的50℃正溫度匹配，溫度0匹配可節約啟動時間50 min，若與溫度0匹配比較，負匹配溫差每增大1℃，可以節省啟動時間1 min，若將這些時間用于延長升負荷過程，可以一定程度降低啟動過程中最大應力的峰值。以匹配程度最大的－40℃啟動過程為例，相對于溫度0匹配，其提前進汽節約時間最長為40 min，圖7為將10 min、20 min、30 min、40 min分別用于延長升負荷過程時監視部位等效應力的變化曲線。可以看出，負溫度匹配啟動節省的時間用于延長升負荷時間，可減小啟動過程最大應力峰值，延長轉子壽命。

圖7 不同延長時間調節級葉根處等效應力變化曲線

4 結論

a.機組參與調峰時，熱態啟動過程中溫度正匹配存在難以實現、等待溫升時間長、經濟性和調峰靈活性差等缺陷，由此建議采用小幅負溫度匹配中壓缸啟動方式。

b.由負溫度匹配中壓缸啟動熱固耦合分析結果可知，啟動過程中的轉子冷沖擊應力以及最大熱應力的微增基本不會影響轉子壽命，還可以減少啟動時間，相對于50℃正溫度匹配，小幅負溫度匹配甚至可以節省超過1 h的啟動時間，提高機組調峰靈活性。

c.將部分負溫度匹配啟動節省的時間用于延長升負荷過程，既可以減小最大應力值，降低轉子壽命損耗，又能使機組可以根據啟動實際情況合理分配啟動時間，提高調峰的經濟性。

［1］邢振中，冷 杰，張永興，等.火力發電機組深度調峰研究［J］.東北電力技術，2014，35（4）：18－23.

［2］魏毓華.國產200 MW汽輪機冷態中壓缸啟動的技術實踐［J］.東北電力技術，2000，21（12）：1－11.

［3］孫宏祥.俄羅斯300 MW汽輪機中壓缸啟動特點［J］.東北電力技術，1998，19（3）：22－27.

［4］江 寧.汽輪機厚壁部件的狀態監測與運行優化［D］.南京：東南大學，2000.

［5］王傳佩.汽輪機轉子壽命預測及評估的研究［D］.武漢：武漢理工大學，2014.

［6］張兆基，危師讓，敬 勇.汽輪機組啟動運行方式與安全經濟性的關系［J］.熱力發電，1987，16（2）：36－41.

［7］楊 飛.國產引進型300 MW機組的旁路與啟動模式［J］.熱力發電，1998，17（4）：25－27.

［8］白 云.600 MW汽輪機轉子低周疲勞壽命計算及研究［D］.長沙：長沙理工大學，2009.

［9］王曉波.調峰工況汽輪機轉子熱應力分析［D］.吉林：東北電力大學，2015.

Application Analysis on the Negative Temperature Match in Hot Intermediate Pressure Cylinder Start?up

ZHU Hui?qiang1，ZHU Qing?yu2，LENG Bo?da3，LIANG Ming?wen4，LENG Jie4
（1.School of Energy and Power Engineering，Northeast Dianli University，Jilin，Jilin 132012，China；2.Huaneng Xinjiang Fukang Thermoelectrical Co.，Ltd.，Changji，Xinjiang 831500，China；3.Shenyang Institute of Engineering，Shenyang，Liaoning 110136，China；4.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

This paper takes a given 350 MW turbine HP?IP rotor as the research object，thermal structure interaction of rotor is ana?lyzed by using ANSYS finite element analysis program.Computing stress change and life loss of HP?IP rotor are adopted by using nega?tive temperature match during hot intermediate pressure cylinder start?up.The results show that it's safe and feasible using negative tem?perature match，little effect on the rotor life，it's also reduce the start?up time significantly and improve flexibility of turbine peaking.

Negative temperature match；Hot intermediate pressure cylinder start?up；Thermal structure interaction

TK267

A

1004－7913（2016）07－0056－04

朱慧強（1990—），男，碩士在讀，主要從事大型火電機組調峰研究。

2016－03－27）